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Java虚拟机的运行时数据区

一、前言

程序都是运行在内存里的,所以对于一门开发语言来说,对于内存的管理都是重中之重的,前有C、C++需要开发者管理内存,后有 Java 的自动内存管理,到如今的内存安全的Rust。

二、运行时数据区概览

Java虚拟机 在运行Java程序时会把其管理的内存划分为若干个区域。这些区域有些是随着Java虚拟机进程的启动而一直存在,有的区域是依赖用户线程的启动和结束而创建和销毁。在《 Java虚拟机规范 》中的规定,Java虚拟机所管理的区域如下:

Java是支持 多线程 编程的,数据共享区域就是运行中的Java程序中的 线程 都可以访问的区域。反之,数据隔离区域线程私有的区域,每个线程都有的一块区域。

三、各运行数据区介绍

3.1 程序计数器

线程私有的一个区域,是一块较小的内存区域,可以看作是当前线程所执行的 字节码 的行号指示器。程序计数器指向下一条需要执行的字节码执行,是程序控制流的指示器,分支、循环、跳转、异常处理、线程回复等功能都需要依赖程序计数器来完成。

我们都知道多线程并发处理其实就是多个线程之间轮流切换,分配CPU的执行时间。在任何一个时刻一个处理器只会执行一个线程中的指令。因此在多个线程之间切换时,需要保留被切走的线程的执行现场,为了就是让这个线程重新得到CPU的执行时间时可以恢复到正确的执行位置,所以每个线程需要有一个独立的程序计数器,各个线程之间互不影响,独立存储。所以说程序计数器这块区域是“线程私有的”。

3.2 Java虚拟机栈

同样也是线程私有的内存区域,Java里面每个方法被执行的时候,Java虚拟机都会创建一个栈帧用于存储局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。一个方法的调用到结束就是对应一个栈帧在Java虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

局部变量表中存放了编译期间可知的各种基本数据类型、对象引用和returnAddress类型。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,在方法的运行期间不会改变局部变量表的大小。这里的”大小”指的是变量槽的数量,每个槽的大小是由虚拟机实现的,譬如按照一个槽32bit或64bit甚至更大。

《Java虚拟机规范》中规定了Java虚拟机栈的两类异常情况:

1、如果线程的请求的栈深度大于java虚拟机栈的深度将抛出StackOverflowError异常,如太深的递归容易导致此异常。

2、如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展,当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出 OutOfMemory Error

3.3 本地方法栈

与Java虚拟机栈的作用相似,其区别在于Java虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务的,而本地方法是为虚拟机使用到的本地方法服务的。在 jdk 源码中以native修饰就是本地方法,具体以对应的虚拟机来实现。例如:sun.misc.Unsafe里的很多方法就是本地方法。

《Java虚拟机规范》中没有规定本地方法栈使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何的强制限制,因此具体的虚拟机可以自由的实现,例如Hot-Spot虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一,所以也会像虚拟机栈一样会抛出stackOverflowError和OutOfMemotyError异常。

3.4 Java堆

虚拟机管理的内存中最大的一块,也是我们Java开发者最为关注的一块内存区域。Java堆是线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动的时候创建,用于存放对象实例,Java中几乎所有的对象实例都在这里分配内存。由于即时编译技术的进步,尤其是逃逸分析技术的日渐强大,栈上分配、标量替换优化手段导致一些微妙的变化发生,所以说Java对象示例都在对上分配已经渐渐变得不是那么绝对。

以G1垃圾收集器为分界:

  • Hot-Spot虚拟机在G1垃圾收集器之前,垃圾收集都是分代收集,因此 堆内存 又被划分为老年代和新生代,默认老年代占堆空间的2/3,新生代占1/3。其中新生代又被划分为Eden和Survivor区,其中Survivor是由两个大小相等的区域组成:form和to。可以说G1之前的垃圾收集器都说是基于分代来设计的,需要新生代、老年代的收集器搭配才能工作。

  • G1出现之后,边不再区分新生代和老年代,Java堆使用同一个垃圾收集器

在《Java虚拟机规范》中规定,Java堆可以处于物理上不连续的内存空间上,但逻辑上应该是连续的。但是对于大对象,大多数虚拟机出于实现简单、存储高效的考虑,很有可能要求连续的内存空间。

Java堆的大小被实现成固定大小的,也可以是可扩展的,不过当前的主流的Java虚拟机都是可扩展来实现的,通过-Xmx和-Xms设置。如果Java堆中没有了内存可以分配给示例,并且堆无法扩展时,会抛出OutOfMemoryError的异常,也就是常说的OOM。

3.5 方法区

线程共享的一个内存区域,用于存储被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译后的代码缓存等数据。

在JDK8之前,HotSpot虚拟机把垃圾收集器的分代设计扩展到了方法去,使用永久代来实现方法区。所以在JDK8之前会称方法区为永久代。这样做的原因是,这样做HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样来管理这块内存区域。但是其他的Java虚拟机是没有永久代这一个概念的。

到了JDK6后,HotSpot虚拟机便放弃了使用永久代来实现方法区,而是使用本地内存来实现方法区,到了JDK7把原来放在永久代的 字符串常量 池、静态变量等移出(移到Java堆),而到了JDK8完全废弃了永久代的概念,改用像 JRockit 、J9一样在本地内存中实现的元空间来替代永久代。并且把JDK7中永久代剩下的内用全部移到元空间,这部分的内容主要是类型信息。

在《Java虚拟机规范》中的规定,对于方法区和Java堆一样不一定需要连续的内存和可以选择固定大小或者扩展外。甚至方法区还可以选择不实现垃圾收集。垃圾收集在方法区上是比较少出现的。方法区的回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。同时也规定,如果方法区无法满足新的内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError异常。

3.6 运行时常量池

运行时常量池属于方法区的一部分。Class文件的类版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息就是常量池表,用于存放编译期生成的各种 字面量 符号引用 ,这部分内用将在类加载后存放在方法区的运行时常量池中。

一般来说出来保存Class文件中描述的符号引用外,还会把符号引用翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特性就是具备动态性,Java语言不要求常量只有编译器才能产生,并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期间也可以将新的常量放入池中,这种特性被开发人员利用得最多的时 String类 的intern()方法。

运行时常量池是方法区的一部分,自然受到方法区内存的限制,当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

3.7 直接内存

直接内存并不是Java虚拟机运行时数据区的一部分,也不在《Java虚拟机规范》中定义的区域。但是这一块区域也是被频繁使用,同时也有可能导致OutOfMemoryError异常。

在JDK1.4中加入了NIO,引入了基于通道(Channel)与缓冲区的I/O方式,它可以使用Native函数直接分配对外内存,然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块堆外内存的引用进行操作。以此来提升I/O性能,避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

本机直接内存的分配不会收到Java堆大小的限制,但是使用的内存,所以会本机的总内存大小以及处理器寻址空间的限制,一般服务器管理员配置虚拟机参数时,会根据实际内存区设置Xmx等参数,但经常会忽略直接内存,使得各个内存区域总和大于物理内存本身,从而导致动态扩容的时候出现OOM

文章来源:智云一二三科技

文章标题:Java虚拟机的运行时数据区

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